Een ander probleem is dat de uitgang van onze Graetz-gelijkrichter niet gereferenceerd is aan de massa. De meeste meters of aanduiders kunnen enkel een spanning meten ten opzichte van een nulpunt.

Meerderheidsdragers en minderheidsdragers

De 1N4148 is daarvoor goed geschikt: de diode schakelt snel en de spanningsval wordt door de op-amp gecompenseerd. Een schottky diode zoals de 1N5820 schakelt nog sneller, omdat de stroom door de diode enkel uit meerderheidsdragers bestaat. Het zou ons te ver leiden om dat hier in detail uit te leggen, maar het volstaat te zeggen dat meerderheidsdragers uit electronen bestaan, terwijl minderheidsdragers "gaten" zijn (het ontbreken van een electron in de roosterstructuur). Via de link onder de afbeelding kan je informatie vinden over de werking van een diode.

We tonen deze schakeling omdat die de meest voorkomende schakeling is voor een perfecte gelijkrichter.

Als er een positieve spanning (ten opzichte van de massa) gemeten moet worden, dan gaat uitgang van de op amp positief en de diode gaat in geleiding over de belastingsweerstand. Door de feedback wordt de spanningsval over de diode gecompenseerd: de uitgang volgt perfect de ingang. De rode vorm geeft de spanning op de uitgang van de op amp.

Als er een negatieve spanning gemeten wordt, dan gaat de uitgang van de op amp negatief. De diode gaat uit geleiding en door de weerstand wordt de spanning op de uitgang op 0V gehouden. De uitgang volgt nu niet meer de ingang en om dat te compenseren (tevergeefs...) gaat de uitgang van de op amp volledig negatief.

Dat de uitgang naar -∞ gaat heeft een aantal nadelen:

• De op amp houdt niet van te werken buiten zijn lineair gebied (waarbij de regellus gesloten is). Op het ogenblik dat de regellus weer gesloten wordt (dus als de te meten spanning weer positief wordt) kunnen er overshoot en kleine oscillaties optreden waardoor een correcte meting verstoord wordt.

• Ook de diode houdt daar niet van:
  • Een siliciumdiode gaat niet ogenblikkelijk uit geleiding, en als de spanning negatief wordt, dan blijft de diode een heel korte tijd geleiden. Dit wordt nog versterkt door het feit dat de uitgang van de op amp volledig negatief wordt. We hebben dus kleine negatiefgaande spikes op het ogenblik dat de te meten spanning negatief wordt.

  • Ook voor een schottky diode is zo'n negatieve spanning niet goed: de diode gaat weliswaar ogenblikkelijk snel uit geleiding (we spreken hier van nanoseconden), maar een schottky diode is geen perfecte isolator als die uit geleiding is: er loopt altijd een kleine stroom door de diode als die omgekeerd gepolariseerd is.
  We moeten dus het probleem van de niet al te perfecte halve gelijkrichter oplossen vooraleer we verder kunnen. Wie had gedacht dat het bouwen van een gelijkrichter zo complex was?

De volgende schakeling lost het probleem absoluut niet op, maar we hebben een op amp die negatief gestuurd wordt om het probleem wel op te lossen. Beide weerstanden moeten een gelijke waarde hebben, bijvoorbeeld 1kΩ voor kleine spanningen (ongeveer 1V ten opzichte van de massa), 10kΩ voor grote spanningen (10V piek).

Als de spanning negatief gaat, dan gaat de uitgang van de op amp positief, de diode gaat in geleiding, de regellus is gesloten en iedereen is gelukkig.

Als de spanning positief gaat, dan is de diode uit geleiding, maar de spanning kan nu naar de uitgang gaan via de twee weerstanden. De ingang van de op amp is normaal hoogohmig en zou geen invloed moeten hebben. We hebben een dubbelzijdige gelijkrichter, maar die is verre van optimaal.

Ten eerste is ons probleem van de open lus niet opgelost: de op amp en de diode veroorzaken nog altijd spikes bij de overgang (op de ingang) van negatief naar positief (diode) en van positief.naar negatief (op amp).

De gelijkrichter is zeer asymmetrisch: als er een belasting aangesloten wordt, dan ontstaat er een spanningsdeler waardoor de positieve delen van het signaal verzwakt worden. Zelfs de ingang van een op amp heeft een zekere impedantie (inwendige capaciteiten van de op amp) die de positieve delen verzwakt. Ook de eigen op amp verzwakt het signaal.

Maar we zijn op de goede weg en volgende schakeling lost het probleem op. We hebben hier de belastingsweerstand bijgetekend. Het is aangeraden altijd een dergelijke weerstand te voorzien om een betere werking te hebben.

Als het signaal negatief wordt verandert er niets aan de situatie: de uitgang van de op amp wordt positief, de uitgangsdiode gaat in geleiding, de uitgang gaat op +1V, de regellus is gesloten en de negatieve ingang van de op amp zit mooi op 0V (beide weerstanden zijn gelijk). Op de uitgang van de op amp hebben we 1.6V om de spanningsval door de diode te compenseren. De tweede diode is uit geleiding.

Bij een positieve ingangspanning wordt de spanning op de uitgang van de op amp negatief, maar dan gaat de tweede diode in geleiding zodat de negatieve spanning beperkt wordt tot -0.6V. De regellus blijft gesloten en op de uitgang hebben we 0V.

We hebben dus een perfecte halve gelijkrichter. Nu nog een dubbelzijdige gelijkrichter ervan maken. Hier zijn er oplossingen met in totaal 2 op amps, maar ik ga voor een oplossing met drie op amps zodat we een perfecte symmetrische werking hebben.

Dubbelzijdige symmetrische gelijkrichter
met drie op amps

Bij een positief signaal op de ingang komt er een positief signaal uit de bovenste gelijkrichter en bij een negatief signaal komt er een negatief signaal uit de onderste gelijkrichter.

We gaan eerst de werking bespreken bij een positief signaal: het signaal komt uit de bovenste gelijkrichter en wordt op 50% gebracht door de spanningsdeler. De uitgang van de onderste gelijkrichter is 0V zodat de op amp als een 2× versterker werkt. We hebben onze 2V op de uitgang.

Bij een negatief signaal komt de -2V uit op de onderste gelijkrichter. De op amp fungeert nu als een -1× versterker, want de positieve ingang van de op amp staat op 0V.

De schakeling met weerstanden en op amp dat we bijgeplaatst hebben is een standaardschakeling van de electronica: "ground referencing a differential signal". Het is een schakeling die een verschilsignaal op de ingang omzet in een signaal dat aan de massa gerelateerd is.

Er bestaan verschillende schakelingen waarbij slechts twee op amps gebruikt worden. Deze schakeling heeft echter het voordeel van de symmetrie en het feit dat er weerstanden van gelijke waarde gebruikt worden.

De nauwkeurigheid van de gelijkrichter wordt grotendeels bepaald door de nauwkeurigheid van de weerstanden en het is aangeraden een setje weerstanden met een nauwkeurigheid van 0.1% te gebruiken. Gebruik 1kΩ voor kleine signalen (ongeveer 1V) en 10kΩ voor grotere signalen (10V).